不确定性原理
曾经有许多人都强烈地抵制这种科学决定论的教义，因为这让他们感到侵犯了上帝随意干涉世界的自由。可是一直到了20世纪初，这种观念依然被认定是科学的标准假定。这种信念一定要被抛弃的迹象，源自于英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做的一次计算。瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士指出，一个热的物体，例如恒星，一定会以无限大的速率辐射出能量。而按照当时人们所相信的定律，一个热体必须要在所有的频率上相等地发出电磁波（诸如射电波、可见光或X射线）。举个例子来说明一下，这就表示一个热体在每秒1万亿次波动至2万亿次波动频率之间的波发出的能量和其在每秒2万亿次波动至3万亿次波动频率之间的波发出的能量是相同的。可是既然每秒的波动数是无限的话，那么辐射出来的总能量也就是无限的。
而为了避免这个显然很荒谬的结论，1900年，德国的科学家马克斯·普朗克提出，光波、X射线和其他波都不能以任意的速率辐射，而是只能够以某种被称为量子的波包发射。普朗克的量子假设可以成功地解释我们所观测到的热体的辐射发射率，然而一直到了1926年，另一位德国科学家威纳·海森伯提出著名的不确定性原理之后，我们才意识到量子假设对决定性论的含义。为了能够预言一个粒子在未来的位置和速度，我们就必须能够准确地测量出其现在的位置和速度。最简单的办法就是把光照到这个粒子上，而一部分光波就会被这个粒子散射开来，从而我们就知道了它的位置。不确定性原理对我们的世界观产生了非常深远的影响，甚至在70多年之后，许多哲学家还不能充分鉴赏它，其依旧是许多人争议的一个主题。而不确定性原理同时也使拉普拉斯的科学理论：一个完全决定性论的宇宙模型的梦想最终消亡。假如我们甚至都不能准确地测量宇宙现在的状态，那么我们又怎么能够同样准确地预言到将来发生的事件呢？虽然我们依旧可以想象，对于那些超自然的生物而言存在着一族完全的决定整个事件的定律，使这些生物不能够干扰宇宙的观测和状态，可是对于我们这些平凡的人来说，实在是缺乏对这样的宇宙模型的兴趣。看起来最好还是采用在经济学中被称为奥铿剃刀的经济原理，把那些理论里不能被我们观测到的所有特征都割弃好了。在20世纪20年代，海森伯、厄文·薛定谔和保罗·狄拉克在不确定性原理的基础上运用了这一手段将力学重新表述成了我们现在称之为量子力学的新理论。在量子力学的理论当中，粒子不再是分别具有位置和速度，而替代其的是：位置和速度的一个结合物——态。
一般来说，量子力学并不会对一次观测就预言出一个确定的结果。相反地，它预言的是一组都有可能发生的结果，同时还告诉了我们这每一个结果将会出现的概率。换句话说，就是假如我们对大量类似的系统做同样的测量的话，每一个系统都以同样的方式起始，我们将会找到测量的结果为A将出现一定的次数，而为B，又将会出现另一不同的次数，等等。我们可以预言出结果为A或B的出现的次数这一近似值，可是却不能够对个别测量的一个特定结果作出预言。因此，量子力学把随机性的不可避免这一因素引进了科学当中。虽然爱因斯坦本人在发展这些观念的时候起到了巨大的作用，可是他却依然强烈地反对这些东西，虽然其之所以能够得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献。
尽管光是由波组成的，可是普朗克的量子假设却告诉我们，在某些地方，光的行为好像显现出其是由粒子组成的——光只能以波包或量子的形式发射或吸收。而相似的，海森伯的不确定性原理则意味着粒子在某些方面的行为像波一样：没有确定的位置，而是成一定的几率分布。量子力学的理论源于一个崭新的数学基础，不再用粒子和波来描述这个实际的世界，而只是利用这些术语来描述我们对于世界的观测罢了。于是，在量子力学当中就存在着波和粒子的二重性，为了一些目的而单纯地将粒子考虑成波是非常有用的，而同时为了一些其他的目的，最好也将波考虑成粒子，而这就产生了一个很重要的结果，我们可以观察到两束波或粒子之间的干涉，而这也即一束波的波峰和另一束波的波谷可以相重合，同时两束波就相会相互抵消掉，而不是叠加在一起从而形成更强的新波（见下图）。被我们熟知的一个光干涉的例子就是肥皂泡上经常能看到颜色，而那就是因为从形成泡的水膜的两边的光反射而引起的。白光是由所有的不同波长或颜色的光波组成，当从水膜一边反射回来的具有一定波长的波的波峰和从另一边反射的波谷互相重合的时候，那些对应于这一波长的颜色就将不会在反射光中出现，于是我们看到的反射光就显得五彩缤纷。
在量子力学当中，由于引进了二重性，于是粒子也会发生干涉。双缝实验就是一个著名的例子，我们假定有一个有两个平行的狭缝的隔板，而在隔板的一边，我们放上一个特定颜色（即特定波长）的光源。大部分光都会射在隔板上，可是还是会有一小部分光通过这两条缝。我们再假定把一个屏幕放到隔板的另一边，而屏幕上的任何一点都能够接收到从两个缝之间传来的波。可是，从一般意义上来说的话，光从光源通过这两条狭缝再传到屏幕上的距离其实是并不相同的，这就表明了，从狭缝中来的光在到达屏幕的时候就已经不再是相互同相的，在有的地方，波相互抵消掉了，在一些地方则是相互加强，于是就形成了有亮暗条纹的花样。
然而，让人感到压抑的是，如果我们将光源换成粒子源的话，例如具有一定速度（这表明其对应的波有确定的波长）的电子束，我们将会得到和上述实验类型完全同样的条纹，而这就显得更加古怪了，因为假如只有一条裂缝，我们则得不到任何的条纹，其现象不过是电子通过这个屏幕均匀地分布罢了。我们因此可能会联想到，另外的那一条缝只不过是将打到屏幕上每一点的电子数目增加了而已。可是实际上，由于干涉，在一些地方，电子的数目反而减少了。假如在一个时间里，只有一个电子被发出通过狭缝，我们就会以为每个电子只是穿过这条或那条缝，这样它的行为就好像只存在于那条通过的缝一样——屏幕会给出一个均匀的分布。可是实际上，即便我们每次都只发出一个电子，条纹仍然会出现，于是，每个电子实际上都是在同一个时刻通过这两条小缝的。
对于我们理解原子的结构来说，粒子间的干涉现象是至为关键的。原子是构成化学和生物的基元，同时由之组成所有的一切的构件。在20世纪初，人们都认为原子的结构和行星围绕着太阳进行公转相当的相似，电子（带负电荷的粒子）围绕着带正电荷的原子核进行着公转，而正电荷和负电荷之间的吸引力则是在维持电子的轨道。可是麻烦的问题在于，在量子力学之前，力学和电学的定律预言了电子将会失去能量并且最后会以螺旋线的轨道落向并撞击到原子核上去，这就表明原子（实际上所有的物质）都会很快地变成一种密度非常高的状态。1913年，丹麦的科学家尼尔斯·玻尔为这个问题找到了一部分的答案。玻尔提出，其实电子并不能够在离原子核任意远的地方，而是只能够在一些指定的距离内进行公转。假如我们再做出这样一个假设：只有一个或两个电子能够在这些距离上的任一轨道上进行公转，因为电子除了充满最小距离和最小能量的轨道外，并不能够进一步向原子核螺旋靠近，那么我们就解决了原子坍缩这一问题。
对于结构最简单的原子——氢原子来说，这个模型给出了相当好的解释，因为氢原子里面只有一个电子在围绕着原子核运动，可是人们并不知道应该怎样把其推广到更加复杂的原子中去。同时，能够允许轨道有限集合的这一思想好像看起来太过任意了，而量子力学的新理论完美地解决了这一个困难：一个围绕核运动的电子可以被认为是一个波，而其波长将依赖于其速度。而对于一定的轨道，轨道的长度将会对应于整数（而不是分数）倍电子的波长。对于这些轨道来讲，由于每绕一圈的波峰总是在同一个位置，因此波就会相互叠加起来，而这些轨道就对应于玻尔的可允许的轨道。可是，对于那些长度不为电子波长整数倍的轨道，当电子围绕着运动时，每个波峰都将会最终被波谷给抵消掉，于是这些轨道就是不允许的。
美国的一位科学家理查德·费恩曼所引入的对历史求和（即路径积分）的方法其实是一个摹写波粒二象性的很好的方法。在对历史求和的方法中，粒子不是像在经典，也就是非量子理论中的那样，在时空当中只存在着一个历史或者是一个路径。与之相反的是，假设粒子从A到B可以走的所有轨道，同时每个路径都相关存在着两个数：一个数表示波的幅度，而另一个数则是表示在周期循环中的位置（即相位），那么粒子从A走到B的几率就将会是所有路径的波相加。从一般的意义上来说，如果我们比较一族邻近的路径的话，相位，即周期循环中的位置的差别就会十分大，而这就意味着，对应于这些轨道的波几乎全部都被相互地抵消掉了。可是对于某些邻近路径的集合来说，其之间的相位变化并不大，因此这些路径的波就不会被抵消掉，而这种路径就对应着玻尔的允许轨道。
基本粒子和自然的力
亚里士多德相信我们所处的宇宙实际上是由4种基本元素：土、气、火和水所组成的。而在这些元素上又有两种力的作用：引力，即是土和水向下沉的那种趋势；浮力，即气和火向上升的那种倾向。而亚里士多德这种将宇宙分割成物质和力的方法直到至今依然还在沿袭。
同时，亚里士多德相信实际上物质是连续的，即我们可以把物质无限制地分割得越来越小。换句话说就是，我们找不到不可再分割下去的最小的颗粒。可是却有几个古希腊人，比如德谟克里特等人，他们的观点则和亚里士多德的相反，他们坚持物质是具有固有的颗粒性，同时每一件东西其实都是由数目巨大的、类型不同的原子所组成的（原子在希腊文中的意义是“不可分的”）。这两种争论一直延续了好几百年，可是却没有任何的一方能够拿出实际的证据出来。一直到了1803年，由英国的化学家兼物理学家约翰·道尔顿指出了化合物总是以一定的比例结合而成的，而道尔顿发现的这一事实，我们可以用由原子聚合在一起形成了分子来解释。可是一直到20世纪初，这两种学派的争论才得以最后告终，而获胜的就是原子论，而其中一个很重要的物理学证据是由爱因斯坦所提供的。在1905年，在爱因斯坦的关于狭义相对论的论文发表前的几周，其在发表的另一篇文章中说道，其实布朗运动——悬浮在液体中尘埃小颗粒的无规则随机运动是可以被解释成液体原子和灰尘粒子之间碰撞的产生的效应的。
在刚开始的时候，普遍都认为原子核是由电子和带正电的质子这两种粒子所组成的。而质子则是从希腊文中表达“第一”的词演变而来，因为在当时，质子被人们认为是组成物质的基本单位。可是在1932年，剑桥的詹姆斯·查德威克却发现，原子核中还包含另外的粒子——中子，而中子的质量几乎和质子的质量相同，可是它却不带任何电荷。因为这一个发现，查德威克获得了诺贝尔奖，并被选为剑桥龚维尔和基斯学院院长。一直到很久之后，人们还都以为质子和中子就是“基本”的粒子。可是在质子和另外的质子或电子高速碰撞的实验中却表明，实际上它们都是由更小的粒子构成的，这些粒子被加州理工学院的牟雷·盖尔曼命名为夸克。因为对夸克的研究，盖尔曼获得1969年的诺贝尔奖。夸克这一名字起源于詹姆斯·乔伊斯神秘的引语：“Three quarks for Muster Mark！”夸克这个字应发夸脱的音，可是最后的字母是“k”而不是“t”，通常和拉克（云雀）相押韵。
事实上存在有6种不同类型的夸克，我们分别将之称为上、下、奇、粲、底和顶。在20世纪60年代，我们就知道了前面的3种夸克，而直到1974年我们才发现了粲夸克，之后在1977年、1995年我们又分别发现了底夸克和顶夸克。每种夸克都带有3种“色”——红、绿和蓝。（必须要强调的是，这些术语仅仅只是一个标签，夸克比可见光的波长小得多，所以实际上它们是没有任何颜色的。这只不过是现代物理学家似乎更富有想象力地命名新粒子和新现象的方式而已——他们不再让自己受限制于希腊文。）而一个质子或中子则是由3个夸克组成的，同时每一个夸克都各具有一种颜色。一个质子里包含有两个上夸克和一个下夸克，而一个中子里则是包含着两个下夸克和一个上夸克。我们现在还可以创造出由别的种类的夸克（奇、粲、底和顶）所构成的粒子，可是那些粒子相对都具有大得多的质量，并且会非常快地衰变成质子和中子。
在19世纪的时候，当那时的人们知道了应该怎样去使用粒子能量，即只能够是由化学反应，比如燃烧来产生的几个电子伏特的低能量时，人们都以为原子就是世界上最小的单位。可是在卢瑟福的实验中，α粒子却具有几百万电子伏特的能量。而到更晚的时候，当我们知道了怎样利用电磁场给粒子提供能量，那时的我们就知道，在30年之前的时候被我们认为是“基本”的粒子实际上是由更小的粒子所组成的。那么在我们利用更高的能量的时候，是不是还会发现这些粒子是由更小的粒子所组成的呢？答案是可能的。可是我们确实有一些理论可以表示，我们现在已经拥有，或者说是将要拥有自然的终极构件的知识。
借用波粒二象性，就可以得知宇宙中的一切都是能够以粒子来加以描述的。这些粒子拥有着被我们称之为自旋的性质，而我们考虑自旋的一个方法就是把粒子想象成围绕着一个轴自转的小陀螺，可是这样就可能会引起一些误会，在量子力学中，粒子其实没有任何轮廓分明的轴，于是粒子的自旋真正告诉我们的则是在不同的方向上看粒子会是什么样子的。自旋为0的粒子就像是一个点：我们在任何方向上看到的都一样。而自旋为1的粒子就像是一个箭头：在不同的方向上看都是不同的。只有在将其转过一整圈（360°）的时候，粒子看起来才会是一样的。那些自旋为2的粒子就是一个双向的箭头：我们只要将其转过半圈（180°），那么看起来它就会一样。相似的，具有更高自旋的粒子会在转了整圈的更小的部分之后看起来便是一样的。这一切都是这样的明显，可是却有一个惊人的事实是，有些粒子在转过一圈后，其依然显得和之前是不同的，我们要必须使其转上整整的两圈。那样的粒子我们就说其具有的自旋是1/2.
而目前宇宙中所有的已知的粒子其实都可以被分成两组：自旋为1/2的粒子，其组成了宇宙当中的物质；自旋为0、1和2的粒子，就像我们将要看到的一样，物质粒子之间的力就是由它们产生的。物质粒子服从泡利不相容这一原理。那是由奥地利的物理学家沃尔夫冈·泡利于1925年所发现的，而泡利也因这一原理获得了1945年的诺贝尔奖。泡利是一位原型理论物理学家，曾今有人还这样说：泡利的存在会使和其在同一城市中的所有实验都出现错误。泡利不相容原理说的是，两个相像的粒子是不能够存在于相同的态中的，即在不确定性原理给出的限制下，这两个粒子不能够同时具有相同的位置和速度。不相容原理是十分关键的，这是因为这一原理很好地说明了为什么组成物质的粒子在那些自旋为0、1和2的粒子所产生的力的作用下却不会坍缩成密度十分巨大的状态的原因：假如物质粒子几乎都处在相同的位置，那么它们就必须有着不同的速度，而这相反地意味着它们不会在很长时间内都存在于相同的位置。假如世界是在没有不相容原理的情形下诞生的，那么夸克就不会形成分离的轮廓分明的质子和中子，再进一步讲，质子和中子也不可能和电子形成分离的轮廓分明的原子，这些全部都会坍缩形成从整体上大致均匀的稠密的“汤”。
一直到了1928年，由保罗·狄拉克提出了一个理论之后，我们才对电子和其他自旋为1/2的粒子有了一些对的了解，而狄拉克又在后来被选为剑桥的卢卡斯数学教授。狄拉克的这一理论是第一种能够同时和量子力学、狭义相对论相一致的理论，其在数学上解释了为什么电子会具有1/2的自旋，也就是为什么我们把它转了一整圈之后还不能使它显得一样，要转两圈才能。狄拉克的理论还预言了电子一定会存在着配偶——反电子或正电子。而在1932年的时候，正电子被发现，证实了狄拉克的理论，他也因此获得了1933年的诺贝尔奖。而现在，我们都知道了，所有的粒子其实都是会有能够和其相湮灭的反粒子的（对于那些携带着力的粒子，其反粒子就是自己本身）。当然，也许也会存在纯粹的由反粒子所构成的整个反世界和反人。可是，如果当你能够遇到反自身的话，那么请注意，一定不要和他握手！不然的话，你们都会在一次巨大的闪光当中消失的。而至于为什么我们身边的粒子会比反粒子多得多的这个问题是个十分重要的问题，在本章的后面，我们将会回到这个问题上来。
在量子力学中，存在于全部物质粒子之间的力或者物质粒子的相互作用都被认为是由那些自旋为整数的粒子携带着的，而这些携带着力的粒子，我们按照它的强度和与它相互作用的粒子将其分成了4个种类。一定要强调指出的是，这个行为完完全全是人为的，这只是为了我们能够更方便地建立部分理论，并不是还具有什么深层次的含义。绝大部分的物理学家们其实都希望我们能够在最后找到一个统一的理论，这一理论能把4种力解释成为一个单独的力里面不同的4个方面。当然，有很多人都认为这将是当代物理学的最主要的目标。而在现在，我们已经有了成功的迹象：把这4种力其中的3种统一起来——在这一章中将会描述这些内容。而对于这统一所剩下的那种力——引力的问题，我们会将其留到以后进行讨论。
4种力中的第一种力就是引力，而引力是万有的，即每一个粒子都会因其质量或者是能量从而感受到引力。引力比起那3种力要弱小得多，甚至于若不是引力还具有两个非常特别的性质：能作用到大距离去、总是吸引的，我们也许根本就不可能注意到它。这两个性质就说明了，在两个巨大的物体里面，虽然单独粒子之间只有很弱小的引力，可是这些引力却能够相互叠加起来，从而产生一股巨大的力量。而其他的3种力要不就是短程的，要不就是一会儿吸引，一会儿排斥，因此它们更倾向于互相抵消。
第二种力就是电磁力。电磁力作用于那些带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，并不会和那些不带电荷的粒子（例如引力子）发生相互的作用。电磁力比起引力来说则要强得多：两个电子之间产生的电磁力会比其之间的引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面跟42个0）倍。可是世界上存在着两种不同的电荷——正电荷和负电荷。相同的电荷之间产生的电磁力是互相排斥的，而不同的电荷之间所产生的电磁力则是互相吸引的。而一个巨大的物体，就像地球或太阳，它们之中包含了几乎相等的正电荷和负电荷。于是，因为单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全部被相互地抵消掉了，所以两个物体之间剩下的电磁力是非常小的。不过电磁力在原子和分子这样的小尺度下是起主要作用的，就是由在带负电的电子和带正电的核中的质子二者之间所产生的电磁力才使得电子能够围绕着原子核进行公转，这就好像引力驱使着地球围绕着太阳公转一样。我们把电磁吸力描绘成是因为交换了大量的光子而引起的。
而第三种力就是弱核力。弱核力负责的是放射性现象，其只对那些自旋为1/2的物质粒子产生作用，而对于那些例如光子、引力子等自旋为整数的粒子则起不到任何作用。1967年，伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格两人提出了弱作用和电磁作用的统一理论，此后，弱作用才能够被我们很好地理解。他们的这一举动在物理学界引发的震惊，是可以和麦克斯韦统一电学和磁学相提并论的。萨拉姆和温伯格提出，在光子之外还有其他的3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，这些粒子携带着弱力。这3个粒子分别被称作为W＋（W正）、W－（W负）和Z0（Z零），其每一个都拥有着大约100吉电子伏的质量（1吉电子伏为10亿电子伏）。温伯格和萨拉姆的理论体现了被称作对称自发破缺的性质。而这就表示，在低能量下，那些看起来完全不同的粒子实际上都只是同一种粒子处于不同的状态罢了。而这些粒子在高能量下都具有相类似的行为。这个效应就和轮赌盘上的轮赌球有点儿类似：在高能量下（当这个轮子转得很快时），这个球的行为几乎只有一个方式——就是不停地在滚动。可是一旦轮子变慢下来，那么球的能量就会减小，而其最后就陷到轮子上存在的37个槽中的一个里面去。也就是说，在低能量下，球是存在着37种不同的状态的，而假如由于某种原因，我们只能在低能下观察球的话，那么我们就会误以为是存在37种不同类型的球。
虽然在温伯格·萨拉姆理论当中，能量一旦远远地超过了100吉电子伏，那么这3种新粒子就会有和光子相似的方式行为，可是在大部分的情况下，粒子的能量都要比这一数值低，于是存在于粒子之间的对称就被破坏掉了，而W＋、W－和Z0就会得到大的质量，从而使其所携带的力作用的距离变得非常短。在萨拉姆和温伯格两人提出这个理论的时候，当时很少有人相信他们的结论，因为在那个时候，加速器还并没有能够产生将粒子加速到产生实的W＋、W－和Z0粒子所需的100吉电子伏的能量，可是在这之后的十几年里，这个理论在较低能量下的别的预言却和我们实验的结果相当符合，因此阿伯达斯·萨拉姆、史蒂芬·温伯格就和谢尔登·格拉肖一起分享了1979年的诺贝尔物理学奖。格拉肖曾提出过一个相似的统一电磁和弱作用的理论。因为1983年在2ERN（欧洲核子研究中心）发现了拥有着被正确地预言了的质量与其他性质的光子的3个有质量的伴侣，于是诺贝尔奖的委员会就成功地避免了犯错的难堪，而带领着几百名物理学家发现这一事物的卡罗·鲁比亚和开发了被使用的反物质储藏系统的CERN工程师西蒙·范德·米尔也一起分享了1984年的诺贝尔奖。
第四种力是强核力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子核中的质子和中子束缚在一起。人们相信，被称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力，它只能与自身以及夸克相互作用。强核力具有一种被称为禁闭的古怪性质，它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克自身。相反，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克连接在一起（红 绿 蓝=白）。这样的三胞胎构成了一个质子或中子。其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红 反红，或绿 反绿，或蓝 反蓝=白）。这样的结合体构成了被称为介子的粒子。介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会相互湮灭，进而产生电子和其他粒子。类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子自身。相反，人们所能得到的胶子的团，其叠加起来的颜色必须是白的，这样的团形成了被称为胶球的不稳定粒子。
统一电磁力和弱核力的成功，使人们多次试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（或GUT）之中。这个名字相当夸张，但得到的理论并不那么辉煌，也没能将全部力都统一进去，因为它并不包含引力。它们也不是真正完整的理论，因为它们包含了许多不能从这个理论中预言而必须人为选择的适合实验的参数。尽管如此，它们仍可能是朝着完备的统一理论推进的一步。GUT的基本思想是这样：正如前面提到的，在高能量下，强核力变弱了，而不是渐近自由的电磁力和弱力在高能量下变强了。在某个非常高的叫做大统一能量的能量下，这3种力都具有同样的强度，并因此可看成一个单独的力的不同方面。在这个能量下，GUT还预言了自旋为1/2的不同物质粒子（如夸克和电子）也会从根本上都变得一样，这样就导致了另一种统一。
我们对于大统一能量的数值还知道得不太清楚，可能至少有1000万亿吉电子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量为100吉电子伏的粒子相碰撞，而计划制造的机器的能量可升到几千吉电子伏。要制造足以将粒子加速到大统一能量的机器——其体积必须和太阳系一样大，这在现代经济环境下不太可能做到。因此，不可能在实验室里直接检验大统一理论。然而，如同在弱电统一理论中那样，我们可以检验它在低能量下的推论。
尽管观测质子的自发衰变非常困难，但很可能正由于这相反的过程，即质子，或更简单地说，夸克的产生导致了我们的存在，它们是从宇宙开初的可以想象的最自然的方式——夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子，进而由夸克构成。除了少数由物理学家在大型粒子加速器中产生的以外，不存在由反夸克构成的反质子和反中子。我们从宇宙线中得到的证据表明，我们星系中的所有物质也是这样，除了少数当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生的以外，没有发现反质子和反中子。如果在我们星系中有很大区域的反物质，则可以预料，在正反物质的边界会观测到大量的辐射。许多粒子在那里和它们的反粒子相互碰撞、相互湮灭并释放出高能辐射。
1956年，人们都相信，物理定律分别服从3个叫做C、P和T的对称。C（电荷）对称的意义是：定律对于粒子和反粒子是相同的；P（宇宙）对称的意义是：定律对于任何情景和它的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子）是相同的；T（时间）对称的意义是：如果你颠倒所有粒子和反粒子的运动方向，系统应回到早先的那样，换言之，定律对于前进或后退的时间方向是一样的。
有一个数学定理说，任何服从量子力学和相对论的理论必须服从CPT联合对称。换言之，如果同时用反粒子来置换粒子，取镜像还有时间反演，则宇宙的行为必须是一样的。但是，克罗宁和费兹指出，如果仅仅用反粒子来取代粒子，并且采用镜像，但不反演时间方向，则宇宙的行为不相同，所以，如果人们不反演时间方向，物理学定律必须改变——它们不服从T对称。
在早期，宇宙肯定是不服从T对称的，随着时间前进，宇宙膨胀；如果它往后倒退，则宇宙收缩。而且，由于存在着不服从T对称的力，因此当宇宙膨胀时，相对于将电子变成反夸克，这些力将更多的反电子变成夸克。然后，随着宇宙膨胀并冷却下来，反夸克就和夸克湮灭，但由于已有的夸克比反夸克多，少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成了我们今天看到的物质，由这些物质构成了我们自身。这样，我们自身的存在可认为是对大统一理论的证实，哪怕仅仅是定性的而已；但此预言的不确定性到了这种程度，以致我们不能知道在湮灭之后余下的夸克数目，甚至不知余下的是夸克还是反夸克。（然而，如果是反夸克多余留下，我们可以简单地把反夸克称为夸克，夸克称为反夸克。）
大统一理论不包括引力。在我们处理基本粒子或原子问题时关系不大，因为引力是如此弱，通常可以忽略它的效应。然而，它的作用既是长程的，又总是吸引的事实，表明它的所有效应是叠加的。所以，对于足够大量的物质粒子，引力会比其他所有的力都更重要，这就是为什么正是引力决定了宇宙的演化的缘故。甚至对于恒星大小的物体，引力的吸引会超过所有其他的力，并使恒星坍缩。黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场产生的。正是黑洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量子引力论形态的一瞥。
物理学的统一
正如前文所解释的，一蹴而就地建立一个包括宇宙中万物的完备统一理论是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述有限范围事件的部分理论上取得了进步，这时我们忽略了其他效应，或者将它们用一定的数字来近似表示（例如，化学允许我们计算原子间的相互作用时，可以不管原子核内部的结构）。然而，人们希望最终找到一个完备的、协调的，将所有这些部分理论当做它的近似的统一理论。在这个理论中不需要为某些任意数选值去符合事实。寻找这样的一个理论被称为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分时间寻求这个统一理论，但是没有成功。因为尽管已有了引力和电磁力的部分理论，但关于核力还知道得非常少，所以时机还没成熟。并且，尽管他本人对量子力学的发展起过重要的作用，但他拒绝相信它的真实性。但是，不确定性原理似乎还是我们生活于其中的宇宙的一个基本特征。因此，一个成功的统一理论必须将这个原理结合进去。
1928年，物理学家诺贝尔奖获得者马克斯·玻恩告诉一群来格丁根大学的访问者：“据我们所知，物理学将在6个月之内结束。”他的信心基于狄拉克新近发现的能够制约电子的方程。人们认为质子——这个当时仅知的另一种粒子——服从类似的方程，并且那将会是理论物理的终结。然而，中子和核力的发现对此又是当头一棒。尽管讲到这些，但仍然有理由谨慎地乐观，我们现在也许已经接近探索自然终极定律的尾声。
相当类似地，在其他部分理论中也发生似乎荒谬的无限大，但是，所有这些情形下的无限大都可用被称作重正化的过程消除掉，这牵涉到引入其他的无限大去消除这些无限大。虽然这个技巧在数学上颇令人怀疑，而在实际上似乎确实行得通，并用来和这些理论一起作出预言，这些预言极其精确地和观测一致。然而，从企图找到一个完备理论的观点看，由于不能从理论中预言，而相反地为了适合观测，必须选择质量和力的强度的实际值，因此重正化确实具有一个严重的缺陷。
在试图将不确定性原理结合到广义相对论时，人们只有两个可以调整的量：引力强度和宇宙常数的值，但是调整它们不足以消除所有的无限大。因此，人们得到一个理论，它似乎预言了诸如时空的曲率的某些量真的无限大，但是观察和测量表明它们是地地道道有限的。人们对这个结合广义相对论和不确定性原理的问题怀疑了许久，直到1972年才被仔细地计算最后确证。4年之后，人们提出了一种叫做“超引力”的可能的解答，它的思想是将携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为3/2、1、1/2和0的新粒子结合在一起。在某种意义上，所有这些粒子可认为是同一“超粒子”的不同侧面，这样就将自旋为1/2和3/2的物质粒子和自旋为0、1和2的携带力的粒子统一起来了。自旋为1/2和3/2的虚的粒子与反粒子对具有负能量，因此抵消了自旋为2、1和0的虚的粒子对的正能量，这就使得许多可能的无限大被抵消掉，但是人们怀疑，可能仍然保留了某些无限大，人们需要找出是否还遗存下未被抵消的无限大。然而，这计算是如此的冗长和困难，以致没人准备着手去进行。即使使用一台计算机，预计至少要用4年工夫，而且犯至少一个或更多错误的机会是非常大的。这样，只有其他人重复计算并得到同样的答案，人们才能判断已取得了正确的答案，但这似乎是不太可能的。
1984年，人们的看法发生了显著的改变，他们更喜欢所谓的弦理论。在这些理论中，基本的对象不再是只占空间单独的点的粒子，而是只有长度而没有其他维，像是一根无限细的弦这样的东西。这些弦可以有端点（所谓的开弦），或它们可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）。一个粒子在每一时刻占据空间的一点，这样，它的历史可以在时空中用一根线代表（“世界线”）。另一方面，一根弦在每一时刻占据空间的一根线，这样，它在时空里的历史是一个叫做世界片的二维面。在这世界片上的任一点都可用两个数来描述：一个指明时间，另一个指明这一点在弦上的位置。一根开弦的世界片是一条带子，它的边缘代表弦的端点通过时空的路径。一根闭弦的世界片是一个圆柱或一个管：一个管的截面是一个圈，它代表在一特定时刻的弦的位置。
两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。在开弦的情形下，只要将它们的端点连在一起即可。
在闭弦的情形下，像是两条裤腿合并成一条裤子。
类似地，一根单独的弦可以分成两根弦。在弦理论中，原先以为是粒子的东西现在被描绘成在弦里旅行的波动，如同振动着的风筝的弦上的波动。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收，对应于弦的分解和合并。例如，太阳作用到地球上的引力，在粒子理论中被描述成由太阳上的粒子发射出并被地球上的粒子吸收的引力子。在弦理论中，这个过程对应于一个H形状的管（在某种方面，弦理论有点儿像管道工程）。H的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而水平的横杠对应于在它们之间旅行的引力子。
弦理论有一个古怪的历史，它原先是60年代后期被发明出来，以试图找到一个描述强力的理论。其思想是，诸如质子和中子这样的粒子可被认为是一根弦上的波动。这些粒子之间的强力对应于连接其他一些弦之间的弦的片段，正如在蜘蛛网中一样。这根弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带，才能使这个理论给出粒子之间强力的观察值。
1974年，巴黎的朱勒·谢尔克和加州理工学院的约翰·施瓦兹发表了一篇论文，指出弦理论可以描述引力，只不过其张力要大得多，大约是1000万亿亿亿亿（1后面跟39个0）吨。在通常尺度下，弦理论和广义相对论的预言是相同的，但在非常小的尺度下，比十亿亿亿亿分之一厘米（1厘米被1后面跟33个0除）更小时，它们就不一样了。然而，他们的工作并没有引起很大的注意，因为大约正是那时候，大多数人抛弃了原先的强作用力的弦理论，而倾心于基于夸克和胶子的理论，后者似乎和观测符合得更好。谢尔克死后，施瓦兹几乎成为弦理论的唯一支持者，只不过现在设想的弦张力要大得多而已。
1984年，由于两个明显的原因，人们对弦理论的兴趣突然复活。一个原因是，在证明超引力是有限的以及解释我们观察到的粒子的种类方面，人们未能真正取得进展；另一个原因是，约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的迈克·格林发表的一篇论文指出，弦理论可以解释内禀的左手征性的粒子存在，正如我们观察到的一些粒子那样。于是，大量的人很快开始作弦理论的研究，而且发展了称之为杂化弦的新形式，这种形式似乎能够解释我们观测到的粒子类型。
弦理论也导致无限大，但是人们认为，它们在一些像杂化弦的形式中会被消除掉（虽然这一点还没被确认）。然而，弦理论有更大的问题：似乎时空是十维或二十六维，而不是通常的四维时它们才是协调的。当然，额外的时空维的确是科学幻想的老生常谈，它们提供了克服广义相对论的通常限制的理想方法，即人们不能行进得比光更快或者旅行到过去的限制（见第十章），其思想是穿过更高的维抄近路。你可用以下方法描绘这一点。想象我们生活的空间只有二维，并且弯曲成一个像锚圈或环的表面。如果你处在这个环的内侧的一边，而要跨过环到另一侧的一点去，你必须沿着环的内边缘上的圆圈走，直到目标点。然而，如果允许在第三维空间里旅行，你可以直接穿过去。
如果这些额外的维确实存在，为什么我们全然没有觉察到它们呢？为何我们只看到3个空间维和1个时间维呢？人们的看法是，其他的维被弯卷到非常小的尺度——大约为一百万亿亿亿（1后面跟30个0）分之一英寸的空间，人们根本无法觉察这么小的尺度：我们只能看到1个时间维和3个空间维，在这些维中，时空是相当平坦的。这正如一根麦秸的表面，如果你近看它，就会发现它是二维的（要用两个数来描述麦秸上的点，一个是沿着麦秸的长度，另一个是围绕着圆周方向的距离）。但是，当你远看它时，你分辨不出它的粗细，而它就显得是一维的（只用沿麦秸的长度来指明点的位置）。对于时空亦是如此：在非常小的尺度下，时空是十维的，并且是高度弯曲的，但是在更大的尺度下，你看不见曲率或者额外的维。如果这个图像是正确的，对于自愿的空间旅行者来讲可是个坏消息：额外的维实在是太小了，根本不允许航天飞船通过。然而，它引起了另一个重要的问题：为何只有一些而非所有的维都被卷曲成一个小球？也许在宇宙的极早期，所有的维都曾经非常弯曲过。为何一维时间和三维空间被平摊开来，而其他维仍然紧紧地卷曲着？
人存原理可能提供一个答案：二维空间似乎不足以允许像我们这样复杂的生命的发展。例如，在一维地球上生活的二维动物，为了相互通过，就必须一个爬到另一个之上。如果二维动物吃东西时不能将之完全消化，则它必须将残渣从吞下食物的同一通道吐出来，因为如果有一个贯通全身的通道，它就会将这个生物分割成两个部分，我们的二维动物就解体了。类似地，在二维动物身上实现任何血液循环都是非常困难的。
多于三个空间维也有问题。两个物体之间的引力将随距离衰减得比在三维空间中更快（在三维空间内，如果距离加倍，则引力减少到1/4；在四维空间减少到1/8；在五维空间减少到1/16；等等）。其意义在于使像地球这样围绕着太阳的行星的轨道变得不稳定：地球偏离圆周轨道的最小微扰（例如由于其他行星的引力吸引）都会使它以螺旋线的轨道向外离开或向内落到太阳上去，我们就会被冻死或者被烧死。事实上，在维数多于三维的空间中，引力随距离变化的同样行为意味着太阳不可能存在于压力和引力相平衡的稳定的状态下，它要么被四分五裂，要么坍缩形成一个黑洞。在任何一种情况下，对地球上的生命来说，它作为热和光的来源都没有多大用处。在小尺度下，原子里使电子围绕着原子核运动的电力行为正和引力一样，这样，电子要么全部从原子逃逸出去，要么沿螺旋线的轨道落到原子核上去。在任何一种情形下，都不存在我们知道的原子。
另一个问题是至少存在4种不同的弦理论（开弦和3种不同的闭弦理论），以及由弦理论预言的额外维的极其繁多的卷曲方式。为何自然只挑选一种弦理论和一种卷曲方式？这问题一度似乎没有答案，因而无法向前进展。后来，大约从1994年开始，人们开始发现所谓的对偶性：不同的弦理论以及额外维的不同卷曲方式会导致四维时空中的同样结果。不仅如此，正如在空间中占据单独一点的粒子，也像空间中线状的弦，还存在另外称作p膜的东西，它在空间中占据二维或更高维的体积。粒子可认为是0膜，而弦为1膜，但是还存在从2到9的p膜。这似乎表明，在超引力、弦以及p膜理论中存在某种民主：它们似乎和平相处，没有一种比另一种更基本。看起来，它们是对某种基本理论的不同近似，这些近似在不同的情形下成立。
但是，确实存在一个这样的统一理论吗？或者我们也许仅仅是在追求海市蜃楼。似乎存在3种可能性：
（1）确实存在一个完备的统一理论（或者一族交叠的表述），如果我们足够聪明的话，总有一天会找到它。
（2）并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。
（3）并不存在宇宙的理论，不可能在一定程度之外预言事件，事件仅以一种随机或任意的方式发生。
有些人基于以下理由赞同第三种可能：如果存在一族完备的定律，这将侵犯上帝改变其主意并对世界进行干涉的自由。这有点儿像古老的二律背反：上帝能制造一个重到连自己都不能将其举起的石块吗？但是上帝可能要改变主意的这一思想，正如圣·奥古斯丁指出的，是一个想象上帝存在在时间里的虚妄的例子：时间只是上帝创造的宇宙的一个性质。可以设想，当他创造宇宙时，他就知道了自己所有的企图。
在许多场合，我们增加了测量的灵敏度，或者进行了新的类型的观测，只是为了发现还没被现有理论预言的新现象，为了解释这些，我们必须发展更高级的理论。这一代的大统一理论预言：在大约100吉电子伏的弱电统一能量和大约1000万亿吉电子伏的大统一能量之间，没有什么本质上新的现象发生。因此，如果这个预言是错的话，人们并不会感到非常惊讶。我们的确可以预期发现一些新的比夸克和电子——我们目前以为这些是“基本”粒子——更基本的结构层次。
然而，引力似乎可以为这个“盒子套盒子”的序列设下极限。如果人们有一个具有比1000亿亿（1后面跟19个0）吉电子伏的所谓普朗克能量更高能量的粒子，它的质量就会集中到如此的程度，它就会脱离宇宙的其他部分而形成一个小黑洞。这样看来，当我们往越来越高的能量去的时候，越来越精密的理论序列确实应当有某一极限，所以必须有宇宙的终极理论。当然，普朗克能量离大约100吉电子伏——目前在实验室中所能产生的最大的能量——非常远，我们不可能在可见的未来用粒子加速器填补其间的差距。然而，宇宙的极早期阶段是这样大的能量必定发生的舞台。早期宇宙的研究和数学协调性的要求很有可能会导致当今我们周围的某些人在有生之年获得一个完备的统一理论。当然，这一切都是假定我们首先不使自身毁灭的前提下而言的。
70年前，如果爱丁顿的话是真的，那么只有两个人理解广义相对论。今天，成千上万的大学研究生能理解，并且几百万人至少熟悉这个思想。如果发现了一套完备的统一理论，以同样的方法将其消化并简化，以及在学校里至少讲授其梗概，这只是时间的迟早问题。我们在那时就都能够对制约宇宙并对我们的存在负责的定律有所理解。
即使我们发现了一个完备的统一理论，由于两个原因，也并不表明我们能够一般地预言事件。第一是量子力学不确定性原理给我们的预言能力设立的限制，对此我们无法克服。然而在实际上，更为严格的是第二个限制，它是由以下事实引起的，除了非常简单的情形，我们不能准确地解出这个理论的方程。（在牛顿引力论中，我们甚至连三体运动问题都不能准确地解出，而且随着物体的数目和理论复杂性的增加，困难愈来愈大。）除了在最极端条件下之外我们已经知道规范物体在所有条件下的行为的定律，特别是我们已经知道作为所有化学和生物基础的基本定律。我们肯定还没有将这些学科归结为可解问题的状态，到现在为止，我们在根据数学方程来预言人类行为上只取得了很少的成功，所以，即使我们确实找到了基本定律的完备集合，在未来的时间里，我们仍面临着在智慧上具有挑战性的任务，那就是发展更好的近似方法，使得在复杂而现实的情形下能作出对可能结果的有用预言。获得一个完备的协调的统一理论只是第一步，我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。
